Transmisión en Baja Tensión Elevada.
Luis Corvalán – Sept 2010
(Este artículo hace referencia a una familia de productos de L-COR Transformadores SRL, firma a la que pertenezco)
L-COR viene dando desde hace años una solución técnica al problema de la transmisión de energía a distancias que consideramos críticas ya que corresponden a una zona gris donde la baja tensión tiene problemas pero pasar a media tensión significa un salto en el nivel de inversión que no llega a justificarse. Estamos hablando de distancias de entre 300 y 5000mts aproximadamente.
Transmitir energía esas distancias en baja tensión en condiciones técnicamente aceptables significa disponer de conductores de sección lo suficientemente grande para mantener las caídas de tensión en niveles razonables, aumentando la sección necesaria a medida que la distancia de la línea se hace más larga, lo que potencia los costos de inversión en la línea cuanto más larga sea. Por esta a razón, a partir de una cierta medida y una determinada potencia, la media tensión pasa a ser justificada. De ahí el rango acotado de nuestro estudio.
La propuesta de solución consiste en usar una tensión más alta que la baja tensión de consumo, que llamaremos tensión nominal, pero sin exceder los límites que soportan los conductores que emplearemos y que serán conductores normales de baja tensión. En general los cables normalizados del tipo subterráneo y de primeras marcas cumplen holgadamente con la normativa IRAM 2178/IEC60502-1 y otras que garantizan una tensión nominal de servicio de 1,1kV. Igual situación para los cables de tipo preensamblados construidos bajo norma IRAM 2263 también aptos para 1,1kV. Para líneas abiertas con conductores aislados o desnudos sobre aisladores de porcelana esta tensión de sericio es perfectamente aceptable. Tampoco es cuestión de extremar las solicitaciones pero hemos estado trabajando por años con una tensión de transmisión de 1kV con excelentes resultados. Esta tensión nos permite mitigar satisfactoriamente el problema de caídas de tensión en potencias medias en distancias como las mencionadas.
A continuación vemos una línea de transmisión en baja tensión convencional y el esquema propuesto de transmisión a 1kV:
Este está conformado por un autotransformador elevador que elevará la tensión normal de consumo, sea esta de 220V ó 3 x 380V ó similar hasta los 1000V ya sea monofásico o 3 x 1000V en sistemas trifásicos. Este nivel de tensión se usará en la transmisión de energía y en el punto de consumo se empleará un autotransformador reductor de características similar que reduce los 1000V de línea a la tensión de consumo. Veremos otra configuración más adelante, pero esta es la más usual y económica.
Esta configuración también es una importante solución para instalaciones ya realizadas, donde por falta de previsión o por un mal cálculo una vez puesto en servicio las caídas de tensión que aparecen en servicio hacen técnicamente inviable la instalación. En esos casos se aprovecha el 100% de la instalación existente si el conductor instalado es un cable normalizado que responde a las normas mencionadas. Con incorporar los autotransformadores a la instalación, obtenemos la configuración buscada y en general, el cable que originalmente era insuficiente para transmitir energía a la tensión de consumo es sobradamente apto para transmitir la misma energía a un nivel de tensión de 1000V.
Ejemplo Numérico:
Debemos alimentar una carga aparente de 50kVA con un factor de potencia de 0,92 ubicada a 1500 mts de nuestro tablero principal. La tensión de servicio es de 3 x 380V 50Hz. La corriente de carga la podemos determinar:
S = √3 . U . I de donde: I = S/(√3.U) = 50000/(√3.380)
La corriente de carga es: I = 76Amp
Supongamos que no queremos una caída de tensión superior al 5%, de tal manera de que si partimos de una tensión de 3x400V en barras no tengamos menos de 380V en la carga. Entonces para que la tensión caiga menos de 20V en una línea de 1500mts con 76Amp, necesitamos una resistencia en la línea de menos de:
Resistencia máxima de la línea: R = U/I = 20/76 = 0,263 Ω
También la resistencia de la línea es, en el caso de ser de cobre:
RLínea = 0.0189 x D/scu
Y para líneas de aluminio la ecuación varía solamente por las características del material, quedando:
RLínea = 0.037 x D/sAL
Donde D es la distancia de la línea y s la sección del conductor, ya sea de cobre o aluminio.
Supongamos en nuestro ejemplo que elegimos una línea de aluminio. La mínima sección necesaria para no tener caída mayor al 5% de la Un será, partiendo de esta fórmula:
SALmín = 0.037 x 1500/0,263 = 211 mm2
Esta sección no es una sección normalizada, así que aquí debemos elegir un cable de aluminio de 240mm2. Esta situación mejorará ligeramente nuestra regulación en la línea, con una resistencia por conductor de:
RLínea = 0.037 x 1500/240 = 0,231 Ω
Y una caída de:
∆U = I . R = 76 x 0,231 = 17.6V = 4,39%
La potencia disipada en la línea para transmitir esta energía será:
PW = 3 . I2 . R = 3 x 762 x 0,231 = 4003 Watts
Esta es una instalación bastante eficiente, con un nivel de pérdidas del 8,7% de la potencia efectiva consumida en la carga (46000W), pero lograda a partir de un conductor de aluminio 240mm2 para transmitir apenas 76 Amp.
La alternativa:
En la zona del tablero principal instalamos un autotransformador de PN = 50kVA relación 3 x 380V/3x1000V e instalamos en la zona de la carga uno similar pero de entrada 3x1000V y salida 3x380/220V
La corriente que circulará por la línea de transmisión será, calculada con la misma fórmula del ejemplo anterior:
I = S/(√3.U) = 50000/(√3.1000) = 28,85 Amp
Para lograr una caída de tensión total menor a 5% deberíamos limitar la caída de tensión en la línea a un valor menor, teniendo en cuenta la regulación propia de los 2 autotransformadores. Estos tienen para esa potencia una regulación del orden del 1.2%, o sea, entre ambos podemos hablar de una caída total del 2.4%. Eso nos deja a la línea una caída máxima del 2.6% para no empeorar la regulación respecto del caso anterior. Pero ahora, una ∆U del 2.6% corresponde a 26V, y a partir de esto podemos calcular la R de la línea y de ahí la sección del cable:
Resistencia máxima de la línea: R = U/I = 26/28,85 = 0,9 Ω
De donde podemos obtener la sección del conductor de aluminio de igual manera:
SALmín = 0.037 x 1500/0,9 = 61,7 mm2
Podemos adoptar un cable de 70mm2 que provocará una caída ligeramente menor a la calculada, y aunque las caídas de tensión no se pueden evitar, se pueden en cambio corregir con esta configuración incidiendo sobre la relación de transformación de uno de los autotransformadores, logrando una tensión en la carga perfectamente aceptable, de valor nominal, aun con una tensión de barras a principio de la línea de 380V.
Las pérdidas totales de esta configuración serán: Pérdidas nominales en ambos autotransformadores: 2 x 980W = 1960W
Pérdidas en la línea: PW = 3 . I2 . R = 3 x 28,852 x 0,9 = 2247 Watts
Las pérdidas totales serán de 4207W y corresponden en nuestro caso al 9,14%. En este ejemplo las pérdidas en términos porcentuales de la carga son casi idénticos, pero con 1500mts de un conductor aluminio de 70mm2 frente a uno de 240mm2.
Gracias a este ejemplo podemos ubicar un límite de rendimiento en esta distancia en particular y para esta calidad de conductor (aluminio). Para distancias mayores, en que una parte sustancial de las pérdidas totales permanece constante (los 1960W de los dos autotransformadores), la transmisión en 1000V pasará a tener un costo de explotación menor a la transmisión en tensión de servicio, que por otro lado se irá complicando a medida que la distancia aumenta. Por el contrario, distancias menores a los 1500mts para la carga del ejemplo, las pérdidas totales en la transmisión en 1000V serán mayores respecto a la otra opción.
Estos valores cambian mucho cuando se trata de cargas monofásicas, con tensiones menores y corrientes mayores que las cargas trifásicas, donde la eficiencia equivalente se logra con distancias bastante menores, aproximadamente un tercio de la distancia de equilibrio trifásica. Esto en cuanto a los costos de explotación.
Respecto a los costos de instalación, el diferencial de costo entre una línea y otra deberá compensar el costo de los 2 autotransformadores para tener un costo de inversión equivalente. Esto se logra a partir de distancias menores trabajando con cobre respecto a líneas de aluminio, que son por naturaleza más económicas.
Para el ejemplo nuestro la diferencia de precios entre 1500mts de cable de 3 x 240 AL y 3 x 70 AL es aproximadamente entre 3 y 5 veces el costo de los dos autotransformadores.
Pero esto siempre desde el punto de vista económico. Muchos casos de definen por criterios técnicos, ya que aún siendo más económico transmitir a la misma tensión de consumo, la calidad de la regulación nos exige usar la configuración de 1000V para que la instalación sea viable.
S = √3 . U . I de donde: I = S/(√3.U) = 50000/(√3.380)
La corriente de carga es: I = 76Amp
Supongamos que no queremos una caída de tensión superior al 5%, de tal manera de que si partimos de una tensión de 3x400V en barras no tengamos menos de 380V en la carga. Entonces para que la tensión caiga menos de 20V en una línea de 1500mts con 76Amp, necesitamos una resistencia en la línea de menos de:
Resistencia máxima de la línea: R = U/I = 20/76 = 0,263 Ω
También la resistencia de la línea es, en el caso de ser de cobre:
RLínea = 0.0189 x D/scu
Y para líneas de aluminio la ecuación varía solamente por las características del material, quedando:
RLínea = 0.037 x D/sAL
Donde D es la distancia de la línea y s la sección del conductor, ya sea de cobre o aluminio.
Supongamos en nuestro ejemplo que elegimos una línea de aluminio. La mínima sección necesaria para no tener caída mayor al 5% de la Un será, partiendo de esta fórmula:
SALmín = 0.037 x 1500/0,263 = 211 mm2
Esta sección no es una sección normalizada, así que aquí debemos elegir un cable de aluminio de 240mm2. Esta situación mejorará ligeramente nuestra regulación en la línea, con una resistencia por conductor de:
RLínea = 0.037 x 1500/240 = 0,231 Ω
Y una caída de:
∆U = I . R = 76 x 0,231 = 17.6V = 4,39%
La potencia disipada en la línea para transmitir esta energía será:
PW = 3 . I2 . R = 3 x 762 x 0,231 = 4003 Watts
Esta es una instalación bastante eficiente, con un nivel de pérdidas del 8,7% de la potencia efectiva consumida en la carga (46000W), pero lograda a partir de un conductor de aluminio 240mm2 para transmitir apenas 76 Amp.
La alternativa:
En la zona del tablero principal instalamos un autotransformador de PN = 50kVA relación 3 x 380V/3x1000V e instalamos en la zona de la carga uno similar pero de entrada 3x1000V y salida 3x380/220V
La corriente que circulará por la línea de transmisión será, calculada con la misma fórmula del ejemplo anterior:
I = S/(√3.U) = 50000/(√3.1000) = 28,85 Amp
Para lograr una caída de tensión total menor a 5% deberíamos limitar la caída de tensión en la línea a un valor menor, teniendo en cuenta la regulación propia de los 2 autotransformadores. Estos tienen para esa potencia una regulación del orden del 1.2%, o sea, entre ambos podemos hablar de una caída total del 2.4%. Eso nos deja a la línea una caída máxima del 2.6% para no empeorar la regulación respecto del caso anterior. Pero ahora, una ∆U del 2.6% corresponde a 26V, y a partir de esto podemos calcular la R de la línea y de ahí la sección del cable:
Resistencia máxima de la línea: R = U/I = 26/28,85 = 0,9 Ω
De donde podemos obtener la sección del conductor de aluminio de igual manera:
SALmín = 0.037 x 1500/0,9 = 61,7 mm2
Podemos adoptar un cable de 70mm2 que provocará una caída ligeramente menor a la calculada, y aunque las caídas de tensión no se pueden evitar, se pueden en cambio corregir con esta configuración incidiendo sobre la relación de transformación de uno de los autotransformadores, logrando una tensión en la carga perfectamente aceptable, de valor nominal, aun con una tensión de barras a principio de la línea de 380V.
Las pérdidas totales de esta configuración serán: Pérdidas nominales en ambos autotransformadores: 2 x 980W = 1960W
Pérdidas en la línea: PW = 3 . I2 . R = 3 x 28,852 x 0,9 = 2247 Watts
Las pérdidas totales serán de 4207W y corresponden en nuestro caso al 9,14%. En este ejemplo las pérdidas en términos porcentuales de la carga son casi idénticos, pero con 1500mts de un conductor aluminio de 70mm2 frente a uno de 240mm2.
Gracias a este ejemplo podemos ubicar un límite de rendimiento en esta distancia en particular y para esta calidad de conductor (aluminio). Para distancias mayores, en que una parte sustancial de las pérdidas totales permanece constante (los 1960W de los dos autotransformadores), la transmisión en 1000V pasará a tener un costo de explotación menor a la transmisión en tensión de servicio, que por otro lado se irá complicando a medida que la distancia aumenta. Por el contrario, distancias menores a los 1500mts para la carga del ejemplo, las pérdidas totales en la transmisión en 1000V serán mayores respecto a la otra opción.
Estos valores cambian mucho cuando se trata de cargas monofásicas, con tensiones menores y corrientes mayores que las cargas trifásicas, donde la eficiencia equivalente se logra con distancias bastante menores, aproximadamente un tercio de la distancia de equilibrio trifásica. Esto en cuanto a los costos de explotación.
Respecto a los costos de instalación, el diferencial de costo entre una línea y otra deberá compensar el costo de los 2 autotransformadores para tener un costo de inversión equivalente. Esto se logra a partir de distancias menores trabajando con cobre respecto a líneas de aluminio, que son por naturaleza más económicas.
Para el ejemplo nuestro la diferencia de precios entre 1500mts de cable de 3 x 240 AL y 3 x 70 AL es aproximadamente entre 3 y 5 veces el costo de los dos autotransformadores.
Pero esto siempre desde el punto de vista económico. Muchos casos de definen por criterios técnicos, ya que aún siendo más económico transmitir a la misma tensión de consumo, la calidad de la regulación nos exige usar la configuración de 1000V para que la instalación sea viable.
Pros y Contras:
Ventajas: Permite transmitir potencias medias (1 a 500kVA) de manera aceptablemente eficiente utilizando conductores de baja tensión pero trabajando con tensiones elevadas, siempre dentro del rango de tensión de servicio garantizado por el conductor.
Ventajas: Permite transmitir potencias medias (1 a 500kVA) de manera aceptablemente eficiente utilizando conductores de baja tensión pero trabajando con tensiones elevadas, siempre dentro del rango de tensión de servicio garantizado por el conductor.
Esta configuración no solo evita saltar a los costos de una instalación de media tensión, sino que en la mayoría de las situaciones resulta más económica de montar que una instalación tradicional de baja tensión eficiente.
También más económica de explotar, ya que el nivel de pérdidas totales es en muchos casos menor. Las pérdidas de transformación y transmisión en 1000V es casi siempre menor que las perdidas de transmisión en 220 ó 380V.
Desventajas: Requiere espacio para la instalación de los autotransformadores. No permite consumos en el trayecto de la línea, salvo que se instale transformadores adicionales. Requiere de cables normalizados y de marcas reconocidas que garanticen confiabilidad a niveles de tensión cerca del límite establecido por normas.
Tensión de Neutro:
Tensión de Neutro:
Un problema de transmitir energía distancias largas es el potencial del neutro. Si las caídas son considerables, la tensión de neutro se eleva respecto del potencial cero, considerado como potencial de tierra. En algunos casos esto puede ocasionar problemas. La configuración que estamos analizando mejora esta situación, al bajar las caídas de manera porcentual, pero en términos absolutos el problema persiste o puede agravarse.
Si el tipo de equipamiento a conectar en el extremo de la línea requiere de un potencial de neutro acotado, la solución técnica a este problema es usar un transformador reductor, en lugar de un autotransformador. De esta manera vamos a generar una línea aislada de tierra y aislada de la red, lo que permite referir a tierra un neutro independiente, y de potencial cero. Esta solución es ligeramente más costosa que la anterior, pero en términos de la inversión global no es significativa la diferencia.
1 comentario:
Excelente nota. Muy clarificadora
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